Особенности формирования условных рефлексов у двух видов пчел Apis cerana и Apis mellifera

Введение
Apis cerana F. и Apis mellifera L. - родственные виды пчел
важнейшие опылители сельскохозяйственных культур. A. cerana является эндемичным видом для большинства стран Азии
где он использовался для производства меда и опыления растений в течение нескольких тысяч лет. Вид A. mellifera занимает западную часть Евразии и всю территорию Африки. До вмешательства человека их ареалы не перекрывались (рис. 1).


Рис. 1. Естественные ареалы пчел видов A. mellifera и A. cerana

Пчелы A. cerana и A. mellifera являются сестринскими видами и характеризуются широким спектром вариаций и адаптаций
[Ruttner
1988]. Подобно A. mellifera
A. cerana населяет широкий ареал с различными климатическими условиями: от прохладных регионов высоких широт и абсолютных высот до жарких сухих полупустынь и влажных тропиков. A. cerana
так же
как и A. mellifera генетически и морфологически подразделяется на десятки подвидов
которые различаются по экологии и поведению
особенно между представителями умеренного и тропического климатов
[Ruttner
1988].
Медоносная пчела A. mellifera всегда являлась модельным организмом при изучения памяти
социальной организации
разделения труда и сложного поведения насекомых
[Smith
1991; Zhang et al.
2000; Menzel
2012]. Известно
что медоносная пчела характеризуется хорошей способностью запоминать цвета
[von Frisch
1914]
узоры
[Horridge
1996] и запахи
[Menzel et al.
1996]. Было показано
что виды пчел A. mellifera и A. cerana
[Qin et al.
2012]
а также подвиды A. mellifera характеризуются разной способностью запоминать цвета и узоры
[Menzel et al.
1973; Qin et al.
2012]. Кроме того
известно
что медоносная пчела способна запоминать объекты
[Collett et al.
1983]
различать ориентиры
[Giurfa et al.
2001] и формировать долговременную память
на основе которой она может оптимизировать траекторию своего полета
[Zhang et al.
1996].
Восприятие запахов у медоносной пчелы происходит в антеннах посредством обонятельных рецепторов нейронов
которые преобразуют воздействие запахов в электрические импульсы и передают их в грибовидное тело - центр памяти насекомых
[Laska et al.
1999]. Размеры и площадь поверхности антенн у рабочих особей A. cerana и A. mellifera примерно одинаковые
но распределение сенсорных волосков и сенсилл на антеннах существенно различается. У рабочих особей А. cerana на антеннах представлены преимущественно четыре класса сенсилл: плакодеа
триходеум типов А и Б
базиконика
а у A. mellifera – четыре класса других сенсилл: кампаниформиа
целоконика
ампуллака и хэтика
[Jung et al.
2014].
Известно
что медоносная пчела A. mellifera обладаeт рефлексом удлинения хоботка в ответ на обонятельный безусловный раздражитель. Показано
что последовательное воздействие условного и безусловного раздражителя на A. mellifera
[Takeda et al.
1961; Smith et al.
1994; Gerber et al.
1999] и A. cerana
[Qin et al.
2012; Wang et al.
2014] способно вырабатывать у пчел ассоциативную память и формировать рефлекс удлинения хоботка на действие условного обонятельного раздражителя.
На данный момент мало известно об особенностях запоминания и формирования условного рефлекса у видов пчел A. cerana и A. mellifera. Также
еще не достаточно хорошо изучены особенности кратковременной и долговременной памяти у видов пчел A. cerana и A. mellifera. В данной работе мы провели сравнительное изучение особенностей запоминания и формирования приобретенного рефлекса удлинения хоботка пчел на действие условного обонятельного раздражителя линалола у двух видов пчел A. cerana и A. mellifera.
Материалы и методы
Два вида пчел A. mellifera и A. cerana
содержатся на пасеках кампуса Инчхонского национального университета в городе Инчхоне
Южная Корея. Эксперимент проводился в период с июня по июль 2017 года. Перед началом эксперимента все семьи были выровнены таким образом
что каждый из них содержал по четыре рамки со взрослыми рабочими особями
по две рамки расплода и по две рамки пыльцы и меда. Фуражирующие особи обоих видов пчел отлавливались на летках у входа в ульи. Для эксперимента было использовано по 80 рабочих особей пчел каждого вида. Все эксперименты проводились с повторностью четыре раза. Отобранные пчелы содержались голодными в течение ночи
согласно описанной методике
[Menzel et al.
1973] (рис. 2).

Рис. 2. Экспериментальная установка для изучения процесса запоминания и формирования условных рефлексов пчелы. Перед антеннами пчелы находится наконечник пипетки с условным раздражителем обонятельных рецепоторов - раствором линалола.
Отбор особей пчел для эксперимента проводился по максимальному проявлению рефлекса удлинения хоботка в ответ на воздействие безусловного раздражителя 1М раствора сахарозы на антенны. Условный обонятельный раздражитель 1% раствор линалола в минеральном масле (Sigma–Aldrich
St. Louis
USA) подносится к пчеле через пластиковый наконечник пипетки. Скорость потока воздуха вокруг пчелы составляла 1,5 м/с.
Этап формирования условного рефлекса состоял из поочередного воздействия растворов линалола (3 сек.) и сахарозы (2 сек.) на рецепторы антенн пчелы. Представленный пчеле запах линалола быстро удалялся с помощью вакуумного эксгаустера. Эта процедура проводилась в 7-кратной повторности с интервалом 7 минут. Эксперимент по изучению особенностей долговременной памяти пчел проводился через 1 ч и 24 ч после завершения этапа формирования условного рефлекса.
Статистический анализ полученных результатов проводился с использованием компьютерной программы SPSS v. 20.0 (IBM
NY
USA). Оценка эффективности формирования условного рефлекса удлинения хоботка пчел разных видов проводилась на основе Q критерия Кохрена. Оценка эффективности сохранения приобретенного условного рефлекса удлинения хоботка пчел разных видов проводилась на основе U критерия Манна-Уитни.
Результаты
Результаты формирования условного рефлекса пчел A. mellifera и A. cerana на воздействие раствора линалола представлены на графике (рис. 3). Доля пчел с приобретенным условным рефлексом удлинения хоботка на воздействие раствора линалола повышалась вместе ростом количества обработок у обоих видов пчел (Q критерий Кохрена для A. cerana Q = 112,3 и для A. mellifera Q = 121,9
при df = 6
P меньше 0,01). При этом кривые характеризуются неравномерным ростом. Так
для A. mellifera отмечается небольшое снижение эффективности приобретения условного рефлекса на последних двух этапах испытаний
тогда как для A. cerana небольшое снижение эффективности приобретения условного рефлекса отмечается на 5 этапе испытаний
которое сменяется резким ростом
после чего показатели приобретения условного рефлекса для обоих видов пчел выравниваются на 6 и 7 этапах (U критерий Манна-Уитни Z = 1,51
при P = 0,15).

Рис. 3. Особенности формирования условного рефлекса удлинения хоботка пчел A. mellifera и A. cerana на воздействие раствора линалола при разном числе испытаний.
Исходя из наблюдений можно заключить
что представители вида A. mellifera характеризуются большей скоростью приобретения условного рефлекса по сравнению с A. cerana. Итоговая эффективность приобретения условного рефлекса у обоих видов пчел не различается. Таким образом
A. mellifera обладает большей скоростью приобретения новых навыков и быстрее приспосабливается к изменяющимся условиям среды обитания по сравнению с A. cerana. Возможно
такие различия являются результатом особенностей биологии и экологии двух видов пчел.
Исследование сохранения приобретенного условного рефлекса пчел A. mellifera и A. cerana показало
что спустя 1 час после этапа формирования
рефлекс удлинения хоботка пчел на воздействие раствора линалола сохраняется у 73% A. cerana и 62% A. mellifera (U критерий Манна-Уитни Z = 1,99
при P меньше 0,05). Однако через 24 часа условный рефлекс удлинения хоботка пчел сохраняется у 32% A. cerana (U критерий Манна-Уитни Z = 2,62
при P меньше 0,05) и 48% A. mellifera (U критерий Манна-Уитни Z = 2,04
при P меньше 0,05) (рис. 4).

Рис. 4. Особенности сохранения приобретенного условного рефлекса удлинения хоботка пчел A. mellifera и A. cerana на воздействие раствора линалола через 1 час и 24 часа после
этапа формирования.
Следовательно
по результатам эксперимента можно заключить
что A. cerana обладает лучшей кратковременной памятью по сравнению с A. mellifera
а A. mellifera характеризуется лучшей долговременной памятью по сравнению с A. cerana. Такие особенности сохранения приобретенного рефлекса во времени у пчел можно объяснить различиями в особенностях биологии и поведения A. cerana и A. mellifera.
Обсуждение
Исследование показало
что A. cerana уступает A. mellifera как по скорости формирования
так и по длительности сохранения условного рефлекса удлинения хоботка на воздействие раствора линалола. Хотя по характеристикам кратковременной памяти A. cerana немного превосходит A. mellifera.
Другими авторами также было показано
что A. mellifera обладают большей скоростью формирования условного обонятельного рефлекса удлинения хоботка по сравнению с A. cerana. Однако
по данным авторов
A. mellifera не отличается от A. cerana по длительности сохранения приобретенного условного рефлекса
[Wang et al.
2014]. Такое несоответствие с нашими данными может быть объяснено как особенностями самого эксперимента
поскольку использовались другие условные раздражители
так и биологическими особенностями линий анализируемых пчел.
Обнаруженные нами различия в приобретении и сохранении условного рефлекса A. mellifera и A. cerana могут быть объяснены биологическими особенностями этих видов пчел. Известно
что A. mellifera имеет тенденцию к сбору нектара и пыльцы с более отдаленных территорий по сравнению с A. cerana
[Koetz
2013]. Было показано
что рабочие особи A. mellifera летают за нектаром и пыльцой на расстояние от 6 до 10 км от улья
[Visscher
Seeley
1982; Beekman
Ratnieks
2000; Abrol
2011; Koetz
2013]
тогда как фуражирующие особи A. cerana характеризуются сбором нектара и пыльцы на расстоянии от 250 м до 2,5 км
[Dhaliwai
1974; Dyer
Seeley
1991; Bakker
1999; Bhuiyan
2002; Koetz
2013]. Полеты на дальние расстояния A. mellifera занимают длительное время
что требует от пчелы долговременного запоминания запаха и цвета цветов и других объектов
а также важнейшие ориентиры в пространстве. Полеты A. cerana более короткие и долговременное запоминание уже не является столь необходимым
как для A. mellifera.
Способность к более быстрому запоминанию приобретенных навыков A. mellifera по сравнению с A. cerana является показателем лучшей приспособляемости A. mellifera к изменяющимся условиям среды обитания. Возможно
что более широкий ареал A. mellifera по сравнению с A. cerana может быть следствием особенностей формирования и сохранения условных рефлексов у этих видов – большие скорость и длительность запоминания дали преимущество в адаптации и позволили A. mellifera широко распространится по всему Старому Свету (рис. 1).
Заключение
Данное исследование по изучению особенностей запоминания и формирования условного рефлекса удлинения хоботка на действие обонятельного раздражителя линалола у двух видов пчел A. cerana и A. mellifera позволяет нам сделать следующее заключение. Виды пчел A. cerana и A. mellifera
несмотря на большое сходство
обладают разными особенностями формирования условных рефлексов. Обучение A. cerana происходит медленнее A. mellifera
но кратковременная память через 1 час у A. cerana выражена лучше
чем у A. mellifera. Однако долговременная память через 24 часа гораздо лучше выражена у A. mellifera по сравнению с A. cerana. Обнаруженные нами особенности памяти и обучения у двух видов пчел A. cerana и A. mellifera могут быть применены при разведении пчел для формирования и закрепления определенных навыков поведения
например
предпочтительного опыления определенных видов сельскохозяйственных культур и сбора пыльцы и нектара с определенных видов цветущих растений. Развитие подходов управления поведением пчел позволит повысить эффективность сельского хозяйства и качества жизни человека в целом.

1. Abrol D. P. Foraging // Honeybees of Asia. Berlin: HeidelbergGermany. 2011. P. 257-292.
2. Bakker D. R. Foraging and habitat selection by two species of honey bee near Lore Lindu National Park in SulawesiIndonesia // Master of Science Thesis. Guelph: The University of GuelphCanada. 1999. 119 p.
3. Beekman M.Ratnieks F. L.W. Long–range foraging by the honeybeeApis mellifera L. // Functional Ecology. 2000. V. 14. P. 490-496. DOI:10.1046/j.1365-2435.2000.00443.x.
4. Bhuiyan M. K.H.Hossain M. M.Bari M. N. Rearing and management of Apis cerana (F.) and occurence of pests in honeybee colonies // Journal of Biological Sciences. 2002. V.2. P. 14-17. DOI:10.3923/jbs.2002.14.17.
5. Collett T. S.Cartwright B. A. Eidetic images in insects: their role in navigation // Trends in Neurosciences. 1983. V.6. P. 101-105. DOI:10.1016/0166-2236(83)90048-6.
6. Dhaliwai H. S.Sharma P. L. Foraging range of the Indian honeybee // J. Apicultural Research. 1974. V.13. P. 137-141. DOI:10.1080/00218839.1974.11099769.
7. Dyer F. C.Seeley T. D. Dance dialects and foraging range in three Asian honey bee species // Behavioral Ecology and Sociobiology. 1991. V.28. P. 227-233. DOI:10.1007/BF00175094.
8. Gerber B.Ullrieh J. No evidence for olfactory blocking in honeybee classical conditioning // Journal of Experimental Biology. 1999. V.202. P. 1839 - 1854.
9. Giurfa M.Zhang S.Jenett A.Menzel R.Srinivasan M. V. The concepts of ‘sameness’ and ‘difference’ in an insect // Nature. 2001. V.410. P. 930 - 932. DOI:10.1038/35073582.
10. Horridge G. A. The honeybee (Apis mellifera) detects bilateral symmetry and discriminates its axis // Journal of Insect Physiology. 1996. V.42. P. 755 - 764. DOI:10.1016/0022-1910(96)00026-1.
11. Jung J. W.Park K. W.Oh H. W.Kwon H. W. Structural and functional differences in the antennal olfactory system of worker honeybees of Apis mellifera and Apis cerana // J. Asia–Pacific Entomology. 2014. V.17. P.639-646. DOI:10.1016/j.aspen.2014.01.012.
12. Koetz A. H. Ecologybehaviour and control of Apis cerana with a focus on relevance to the Australian incursion // Insects. 1980. V.4. P. 558 - 592. DOI:10.3390/insects4040558.
13. Laska M.Galizia C.Giurfa M.Menzel R. Olfactory diserimination ability and odor structure–activity relationships in honeybees // Chemical Senses. 1999. V.24. P. 429 - 438.
14. Menzel R.Freudel H.Rühl U. Rassenspezifische unterschiede im lernverhalten der honigbiene (Apis mellifica L.) // Apidologie. 1973. V.4. P. 1-24.
15. Menzel R.Hammer M.Müller U.Rosenboom H. Behavioralneural and cellular components underlying olfactory learning in the honeybee // Journal of PhysiologyParis. 1996. V.90. P. 395 - 398.
16. Menzel R. The honeybee as a model for understanding the basis of cognition // Nature Reviews Neuroscience. 2012. V.11. P. 758 - 768. DOI:10.1038/nrn3357.
17. Qin Q.H.He X.J.Tian L.Q.Zhang S.W.Zeng Z.J. Comparison of learning and memory of Apis cerana and Apis mellifera // Journal of comparative physiology. ANeuroethologysensoryneuraland behavioral physiology. 2012. V.198. P. 777 - 786. DOI:10.1007/s00359-012-0747-9.
18. Ruttner F. Biogeography and taxonomy of honeybees. BerlinHeidelberg: Springer–Verlag1988. 288 p. DOI:10.1016/0169-5347(89)90176-6.
19. Smith B. H.Cobey S. The olfactory memory of the honeybeeApis mellifera. II. Blocking between odorants in binary mixtures // Journal of Experimental Biology. 1994. V.195. P. 91 - 108.
20. Smith B. H. The olfactory memory of honeybeeApis mellifera: I. Odorant modulation of short and inermediated–term memory after single trial conditioning // Journal of Experimental Biology. 1991. V.161. P. 367 - 382.
21. Takeda K. Classical conditioned response in the honeybee // Journal of Insect Physiology. 1961. V.6. P. 168-179.
22. Visscher P. K.Seeley T. D. Foraging strategy of honeybee colonies in a temperate deciduous forest // Ecology. 1982. V.63. P. 1790 - 1801.
23. Von Frisch K. Der Farbensinn und Formensinn der Biene. Jena: Verlag von Gustav Fischer1914. 211 p. DOI:https://doi.org/10.5962/bhl.title.11736.
24. Wang Z.Tan K. Comparative analysis of olfactory learning of Apis cerana and Apis mellifera // Apidologie. 2013. V.45. P. 45 - 52. DOI:10.1007/s13592-013-0228-3.
25. Zhang S.Mizutani A.Srinivasan M. Maze navigation by honeybees: learning path regularity // Learning and Memory. 2000. V.7. P. 364 - 374.
26. Zhang S. W.Bartsch K.Srinivasan M. V. Maze learning by honeybee // Neurobiology of Learning and Memory. 1996. V.66. P. 267 - 282.